基于小区基表的自动抄表系统的实现
随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，安全、舒适、现代化的智能小区建设在我国正在蓬勃兴起，自动抄表系统是智能小区的重要组成部分之一，是家庭自动化的必然，因而日益受到关注。构建四表（电、水、燃气、热量等计量仪表）集中统一管理的综合自动抄表系统，不仅可节约管理系统的构建费用，节约人力资源，更重要的是可提高查表的准确性、一致性和工作效率，相对减少小区物业管理人员的数量，还可避免入户查表的不安全、扰民等因素。同时，还可以解决人工查表收费的缺点和不足，减少因人工查抄表而造成查收数据误差较大、抄表周期长而给小区物业管理部门和用户之间带来的矛盾。
国内一些城市的智能化居民住宅小区正在建设规划中，已着手将电、水、燃气、热量等计量管理加以集中考虑，构建智能化、网络化、自动化的集中式计量管理模式和管理技术平台，已逐渐成为提升智能小区管理自动化水平的必然选择。
1 自动抄表系统的基本原理
虽然新建小区发展需迅速，但已建成的小区仍占小区的绝大部分，并且已建成的小区基本上都安装了机械三表（电、水、燃气表）或四表。为了实现小区的自动抄表系统，一种方法是在已建成的小区中重新安装能实现自动抄表的新型电子四表，这不但耗资巨大，实现起来也会困难重重。由于已建成的小区中原有的机械基表已达到了非常成熟的程度，精密、可靠。因此，如何在已建成的小区中通过一定的改造实现自动抄表在智能小区中占有重要的位置，并且任务量巨大。
本文设计了在已建成小区的四表的机械基表的基础上，通过加装传感电路，再经过EM78P458单片机的处理实现自动抄表系统。
以燃气表为例，自动抄表系统的原理框图如图1所示。它由普通的燃气表基表、传感器及其接口、单片机系统、通信接口及计算机管理控制中心等部分构成。传感器及其接口电路和单片机系统、通信接口电路置于基表处或与基表同处于一个盒内，以便于安装管理。计算机管理控制中心承担各用户用燃气量的统计处理、费用结算、显示、打印、查询、报表等管理工作。
2 系统设计
在设计自动抄表系统时需要较多地考虑传感器及远传系统的设计，而不是重新设计一个新表。因此，在实际设计时，需要选取高性价比、功耗低的传感器和单片机，选取抗干扰性强的传感器，为采集部分加上磁屏蔽，防止周围杂散电磁场的干扰影响计量精度。
2.1 传感器
采用南京新捷中旭微电子有限公司的ZP105A型韦根德零功耗磁敏传感器作为数据采集传感器，以满足系统对低功耗和安全性方面的要求。韦根德零功耗磁敏传感器是利用韦根德效应制成的，故名韦根德传感器，是利用磁性双稳态功能合金材料（韦根德丝）中的磁畴在磁场中的运动特性制作而成的。当外磁场发生变化时，磁畴磁化方向瞬间发生翻转，而当外磁场撤离后又瞬间恢复到原有的磁化方向，由此在合金材料周围的检测线圈中感生出电脉冲信号而实现磁电转换。该传感器工作时无须使用外加电源，输出信号幅值与磁场的变化速度无关。
韦根德零功耗磁敏传感器由三部分组成：一是磁性丝敏感元件——韦根德丝，二是绕在丝上的检测线圈，三是外部永磁体。当外部永磁体与传感探头之间发生相对运动时，韦根德丝作用有适当的外磁场，内芯磁化跳变，检测线圈便会输出感生电压脉冲信号。检测外部永磁体（或永磁体的载体）的运动可实现间接测量多种物理量。如：流量、速度、转数、里程、转角。也可适用于汽车自动点火位置分配器、汽缸活塞位置检测器、无电源脉冲发生器、无触点限位开关、识别卡及其读出器等等。
韦根德零功耗磁敏传感器的内部结构如图2（a）所示，外部永磁体一般由外加小的永久磁铁实现。ZP105A型韦根德零功耗磁敏传感器的外形尺寸为6×12.5×4.5mm。安装时，选择在机械基表最后一级齿轮处加一小的永久磁铁，外加永久磁铁表面至传感器敏感区作用距离为6mmt±1 mm，传感器安放时永久磁铁的磁力线应该平行的穿过传感器的中心，安装结构示意图如图2（b）所示。齿轮每转动一周，外加的小永久磁铁的磁场作用于传感器一次，韦根德丝的磁畴磁化方向发生翻转一次，传感器的检测线圈输出一对正负双向脉冲电信号。输出脉冲信号的幅值大于2V，周期为外加的小永久磁铁的运动周期（即小的永久磁铁的载体—齿轮的转动周期）。测量传感器输出脉冲信号的周期，即为基表最后一级齿轮的转速，经过计算即可得机械基表的实际测量值。
通过零功耗磁敏传感器对传统电表、水表、气表和热量表的改进使其成为远传表。以燃气表为例，选择在基表最后一级齿轮处加一小的永久磁铁（不算显示部分的逐级传递齿轮）。该级齿轮每转一圈都要拨动显示部分的逐级传递齿轮8次，每拨一次是0.001m3，所以每转一圈共计0.008m3 的燃气。也就是最后一级齿轮每转125圈即拨动显示部分的逐级传递齿轮1000次，燃气表的显示部分的计数为1m3；同时通过零功耗磁敏传感器输出125个脉冲。
由于零功耗磁敏传感器测得的数据是基表向显示部分传递数据的最后一级齿轮的转速，因此，零功耗磁敏传感器的采样值与现场基表的测量值是一致的，其误差为零功耗磁敏传感器的采样误差与现场基表显示部分的传动误差，而这两项误差都在允许的范围内，所以，采用EM78P458单片机系统后的显示测量值与现场机械基表的显示测量值具备一致性。如果机械基表已经含有初始测量值，则可通过安装时在EM78P458单片机系统中预置初始测量值的方式实现EM78P458单片机系统的显示测量值与现场机械基表的显示测量值的一致性。
2.2单片机系统
目前，单片机的种类繁多，高中低档层出不穷，为满足系统低功耗、高性价比的要求，选用了带休眠功能的台湾义隆公司生产的EM78P458单片机作为数据采集处理芯片。
EM78P458单片机是高速CMOS技术的8位单片机，内部集成有4K×13位OTP型ROM, 98×8位SRAM，8位可编程定时器／计数器，8位A/D转换器，1个比较器，1个WDT，同时还具有内、外部中断，双向三态I/0口及低功耗的休眠方式（休眠时电流仅为1μA）。具有系统外部接口简单、实用、廉价等特点。单片机系统原理电路如图3所示。
当燃气表基表的外加小永久磁铁随基表最后一级齿轮转动经过零功耗磁敏传感器ZP105A表面时，ZP105A产生脉冲信号，通过电容C3接人单片机的P6.6口，利用EM78P458单片机的I/0口引起中断，唤醒单片机，单片机的数据存储区单元1的内容自动加1，当加到125时，数据存储区单元2的内容自动加1，单元1的内容自动清零。数据存储区单元2的内容即为燃气表用量的整数值，通过计算，可得燃气表用量的实际值。可推广到电、水、热量表的自动抄表系统中。
2.3通信方案的选择
实现燃气表与计算机管理控制中心的通信有多种方案。公共网络系统的通信方式可分为无线通信和有线通信。采用无线通信的公共网络系统主要服务于分布较为分散的用户。而智能小区的用户比较集中，可以采用有线通信的公共网络系统。有线通信可通过电话线、光纤通信、有线电视电缆、串行总线技术（RS-485、RS-422）和现场总线技术（CAN,LonWorks等）等方式实现自动抄表。RS-485总线技术是一种支持多节点、远距离和接受高灵敏度的串行总线标准，由于性能优异、结构简单、组网容易，是智能小区底层控制网络各子系统中应用最广泛的技术。本系统燃气表与计算机管理控制中心的通信采用RS-485总线技术。
2.4通信接口的设计
EM78P458单片机内部没有配置DART（通用异步收发器）模块，为了利用RS-485总线技术实现与计算机管理控制中心的通信，利用、EM78P458的P5.5、P6.7两条I/O口线分别作为发送和接收端，借助于软件编程的手段模拟UART接口协议，实现UART虚拟接口。其接口电路如图4所示。
图4中，P5.5、P6.7引脚分别与外部的MAX485的DI、RO连接，作为UART虚拟接口发送数据端和接收数据端，P5.6接MAX485的DE、RE引脚，用以控制驱动器和接收器的使能，形成RS-485串行接口，组成通信的远传系统。当计算机管理控制中心需要采集测量数据时，可通过计算机管理控制中心发送信息唤醒单片机。单片机将测量数据通过RS-485总线传送给计算机管理控制中心，形成智能小区自动抄表通信网络。
2.5通信软件的设计
计算机管理控制中心通过P6.7引脚唤醒单片机EM78P458，通知EM78P458将进行一次数据传送，然后计算机管理控制中心发送地址码，各点EM78P458单片机接收到地址码后于本机的地址码比较，若相同，则发送本机测量数据给计算机管理控制中心，否则，结束本次通信。其通信程序框图如图5所示。单片机发送测量数据到计算机管理控制中心的发送子程序框图如图6所示。计算机管理控制中心接收各单片机抄表系统数据的程序框图如图7所示。
3 结束语
基于小区基表的自动抄表系统以小区原有的燃气表基表为基础，能够方便地在不影响基表性能的情况下，加装韦根德零功耗磁敏传感器电路，采用廉价、低功耗的EM78P458单片机系统后具备了机械与远传两套显示，且显示具备一致性。实现了智能小区中的燃气量采集。通过虚拟UART接口，采用RS-485总线实现实时远程抄表功能。计算机管理控制中心可提供数据处理、查询、统计、报表、打印、备份等功能。从而实现对整个小区燃气量供应计量的现代化物业管理，使物业管理走向智能化、数字化。该系统具有方便、价能比低、功耗低、易于推广等特点，只需合理选择数据采集传感器及外加小的永久磁铁的安装位置、实施必要的屏蔽和进行相应的数据处理，就可实现电表、水表、热量表等的自动抄表系统，在智能小区建设中具有非常广泛的应用前景。